高效能電腦可以進行哪些工作

可做工作：1、對宇宙中微子和暗物質的數值模擬，揭示宇宙演化進程；或也可以模擬時間進程並加速該模擬的進程，從而對天體的演變進行建模和理論試驗。 2.建立核爆的數學模型，深刻理解核爆的原理，為新一代核武的研發服務；或預測核武何時會失效以及哪些零件需要更換。 3.精確地模擬和觀測雲的運動，實現氣候模擬和天氣預報。 4.模擬地震，幫助人類探索地震預測方法，進而減輕與地震相關的風險。

本教學操作環境：windows7系統、Dell G3電腦。

高效能電腦（HPC，又稱為超級電腦）主要用來解決其他電腦解決不了的挑戰性問題，通常指具有極快運算速度、極大儲存容量、極高通訊頻寬的一類計算機。高效能運算被視為電腦科學與工程的“皇冠”，各國近年來均頻繁從國家層級啟動研發計畫。

高效能計算機是計算機中功能最強、運算速度最快、儲存容量最大的一類計算機，多用於國家高科技領域和尖端技術研究，是一個國家科研實力的體現，它對國家安全，經濟和社會發展具有舉足輕重的意義。是國家科技發展水準和綜合國力的重要標誌。　

高效能電腦能夠執行一般個人電腦無法處理的大資料量與高速運算的電腦。其基本組成組件與個人電腦的概念無太大差異，但規格與效能則強大許多，是超大型電子計算機。具有很強的計算和處理資料的能力，主要特點表現為高速度和大容量，配備多種外部和周邊設備及豐富的、高功能的軟體系統。現有的超級電腦運算速度大都可以達到每秒一太次以上。

作為高科技發展的要素，高性能電腦早已成為世界各國經濟與國防的競爭利器。經過中國科技工作者數十年來不懈地努力，中國的高性能電腦研製水準顯著提高，成為繼美國、日本之後的第三大高性能電腦研發生產國。中國現階段超級電腦擁有量為22台(中國內地19台，香港1台，台灣2台)，居世界第2位，就擁有量和運算速度在世界上處於領先地位，隨著超級電腦運算速度的快速發展，它也被越來越多的應用在工業、科研和學術等領域。但就高效能電腦的應用領域來說中國和已開發國家美國、德國等國家仍有較大差距。中國高性能電腦及其應用的發展為中國走科技強國之路提供了堅實的基礎和保證。

高效能電腦的用途

#1、揭示宇宙演化過程

由中國科學家領銜的宇宙中微子數值模擬國際團隊，在「天河二號」超級電腦系統上成功完成了30萬億粒子對宇宙中微子和暗物質的數值模擬，揭示了1600萬年後宇宙大爆炸以來137億年的漫長演化過程。中微子是自然界中最基本的粒子種類之一。它們沒有充電，動作很快。目前，中微子的絕對質量無法透過物理實驗和宇宙學觀測來測量。中微子可以抑制早期宇宙中星系和大尺度結構的形成。後者可以透過大規模的宇宙學數值模擬間接測量，獲得中微子的質量資訊。這種大規模的宇宙學數值模擬必須依靠具有強大運算和儲存能力的超級電腦。

也可以模擬時間進程並加速該模擬的進程，從而對天體的演變進行建模和理論試驗。

2、模擬核試驗

#躋身500強的超級電腦是美國的泰坦和紅杉。他們屬於橡樹嶺國家實驗室和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的美國能源部。基於它們的超級運算應用涉及核武的研發和安全維護。以1945-1992年美國1054次核子試爆數據為基礎，用超級電腦建立了核爆的數學模型，深刻理解了核爆的原理，為新一代核武的研製服務；大量核武在接近使用壽命的情況下，超級電腦模擬可以用來預測它們何時會失效以及哪些零件需要更換。

3、氣候模擬與天氣預報

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這款超級運算應用程式獲得了中國戈登·貝爾獎，被稱為「全球非靜態雲端解析度模擬」。該計畫以氣候和氣象學研究為方向。氣象預報需要對海量氣象資料進行即時處理、儲存、查詢、分析和統計。用普通計算機計算幾百年是必要的。例如，降雨與雲的運動密切相關。利用超級電腦可以精確地模擬和觀測雲的運動。隨著超級電腦運算速度的提高，觀測精度不斷下降。如果我們能「標記」未來的每一片雲，天氣預報就可以了。

4、地震模擬

超級電腦可以模擬地震。它透過計算不同地層的應力變化來模擬地殼運動。如中德科學家利用天河二號模擬真實地震波傳播，再現了1992年美國加州蘭德地震的蘭德地震波傳播過程，為研究地震波的產生、傳播機制和地震預報提供了新的途徑。

對地震的模擬能幫助人類探索地震預測方法，進而減輕與地震相關的風險。

5、石油探勘

超級電腦還可以計算油井應該在哪裡鑽探。目前，地震勘探是鑽前探勘油氣資源的重要手段。所謂地震勘探，就是利用地下介質的彈性差和密度差，觀察分析地球對人工激發地震波的反應，推斷地下地層的性質和形狀，從而確定油氣的準確分佈。這個過程需要對海量資料進行密集的運算和模擬，計算結果需要轉換成直覺的三維影像，因此必須藉助高效能電腦來實現。

6、海嘯危害預測

日本科學家利用超級電腦「北京」建立了海嘯模擬模型，並成功預測了地震後海嘯的破壞情況。結果表明，在宮城縣發生地震的情況下，仙台市的洪水面積可以在10分鐘內預測。如果這項技術推廣，將提高海嘯預警的準確性，引導居民更有效地避難。海嘯災害模擬量大、時間長，難以進行即時災害分析。日本「3.11」地震時，海嘯波高預測值低於實際高度。

7、精準醫療

精準醫學是為每個人量身定做的醫療和治療，它不僅是一個醫學領域，而且與計算能力密切相關。基因差異決定個體差異。一個人的基因組中有30億個鹼基對等待科學家分析，考慮到人們的生活習慣和外部環境等資訊。但這還不夠。我們至少需要數百萬人的基因數據才能形成一個資料庫，這樣我們就可以分析基因差異與各種健康問題之間的關係，從而「治療」人。所有這些都需要強大的計算能力來處理。

8、藥物開發

在超級電腦「京」的幫助下，科學家成功發展出抗癌新藥。研究人員將研究重點放在對癌細胞增殖有重要作用的蛋白質上，並以這種特殊蛋白質為突破口，利用超級電腦模擬計算出能有效抑制癌細胞增殖的化學物質。一般來說，計算這種癌細胞特異蛋白與可能有效藥物的結合及其對體內水分的影響極為複雜，因此有必要藉助超級電腦進行精確的模擬實驗。

9、模擬血流

人體血管的總長度為10萬至16萬公里。沒有超級計算機，幾乎不可能即時模擬血管中的血液流動。美國科學家用超級電腦成功複製了整個人類動脈系統。任何直徑超過1毫米的動脈都會出現在分辨率為9微米的三維模型中。中國科學家也正在用「太湖神威燈」模擬和分析人體血液流動。這樣可以及時有效地判斷一個人是否會有腦梗塞的危險，而無需在血管內放置測量裝置。除了模擬血液流動，超級電腦還可以模擬心臟、大腦和身體其他部位。

10、交通業

超級電腦可用來認識和改進汽車、飛機或船等交通工具的空氣流體動力學、燃料消耗、結構設計、防撞性，並幫助提高乘坐者舒適度、減少噪音等，所有這些都具有潛在的經濟和安全收益。

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